太陽能以其儲量無限、開發(fā)利用清潔等特性備受關(guān)注，但太陽能發(fā)電也有成本高、效率低和依賴光照條件等問題。如何解決太陽能的高效收集、轉(zhuǎn)化和能量儲存問題，并和其他發(fā)電方式組成互補的綜合發(fā)電系統(tǒng)，是太陽能熱發(fā)電利用發(fā)展中亟須解決的重大科學(xué)問題。
在國家自然科學(xué)基金重點項目、重大研究計劃項目和國家杰出青年科學(xué)基金項目資助下，中科院工程熱物理研究所研究員金紅光團(tuán)隊對太陽能互補發(fā)電進(jìn)行了系統(tǒng)研究，該團(tuán)隊研制的太陽能熱化學(xué)互補發(fā)電系統(tǒng)目前已成功發(fā)電，并引領(lǐng)國際中低溫太陽能與化石燃料互補發(fā)電的新方向。
“互補”的優(yōu)勢
“單純太陽能發(fā)電對光照條件要求較高，太陽能和傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電互補的思路是對傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備進(jìn)行改造，讓它在有太陽時用太陽能，陰雨天或夜晚用傳統(tǒng)燃料發(fā)電。”金紅光對《中國科學(xué)報》記者說，“這兩者所用的發(fā)電設(shè)備相同，改造起來難度并不大，費用也不是問題。”
目前，太陽能與化石能源互補發(fā)電主要分為兩大類：一是太陽能與熱力循環(huán)的熱互補，即通常我們說的太陽能熱發(fā)電；二是太陽能與化石燃料的熱化學(xué)互補，即太陽能熱化學(xué)發(fā)電。
太陽能與熱力循環(huán)的熱互補是根據(jù)不同聚光形式，將不同集熱溫度的太陽熱以熱量傳遞的方式注入熱力循環(huán)。太陽能與化石燃料的熱化學(xué)互補是將太陽熱與化石燃料重整、裂解等不同燃料轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程結(jié)合，使太陽能轉(zhuǎn)化為燃料化學(xué)能，再同熱力循環(huán)集成共同實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換。
“目前制約太陽能熱發(fā)電發(fā)展的主要技術(shù)障礙是聚光成本較高，在不穩(wěn)定太陽輻照下的系統(tǒng)光學(xué)效率和熱功轉(zhuǎn)換效率低，因此太陽能發(fā)電規(guī)模難以實現(xiàn)突破。與前者相比，熱化學(xué)互補發(fā)電的聚光要求低，效率可提高一倍，因而前景更誘人。”金紅光說。
互補發(fā)電新方向
國際上，高溫太陽能與化石燃料熱化學(xué)互補發(fā)電系統(tǒng)僅有20年左右的研究歷程，主要著眼于攝氏900度至1200度左右的高溫太陽熱化學(xué)與天然氣互補的轉(zhuǎn)化和利用。研究也多集中在二次聚光的高溫聚光鏡、太陽能熱化學(xué)反應(yīng)器等部件性能的提高和相關(guān)催化劑的研發(fā)。一方面將太陽能轉(zhuǎn)化為高密度燃料化學(xué)能；另一方面化石燃料可以從高碳組分變?yōu)榈吞嫉?a href=/topic/1206.html target=_blank>太陽能二次燃料。這樣，不僅可以遠(yuǎn)距離輸運和長時存儲太陽能，而且化石燃料轉(zhuǎn)化二次燃料的燃燒只產(chǎn)生較少的污染物。
2003年，德國啟動了國家能源計劃，開展太陽能重整甲烷—燃?xì)庹羝麖?fù)合熱發(fā)電系統(tǒng)示范項目研究工作。德國宇航實驗室（DLR）與以色列Weizmann研究所共同開展了300千瓦太陽能甲烷重整集熱反應(yīng)器的研究。瑞士在國家ETH計劃和PSI研究中心資助下，開展更具廣泛性的太陽能—天然氣與氧化鋅重整的能源環(huán)境系統(tǒng)研究。但這種高溫太陽能熱化學(xué)互補發(fā)電依賴于高聚光比（近千倍聚光）和不穩(wěn)定的太陽能能流密度，難以低成本大規(guī)模應(yīng)用。
2000年以來，在國家自然科學(xué)基金資助下，金紅光團(tuán)隊對太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中能的梯級利用問題，光輻照、集熱、熱力循環(huán)三者間能的品位和相互利用機(jī)制，太陽能和其他能源互補的系統(tǒng)集成等問題進(jìn)行了研究，闡明了太陽能與化石能源互補的綜合利用原理，提出以中低溫太陽能驅(qū)動替代燃料的吸熱反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為高品位的太陽能燃料，進(jìn)而通過燃燒和熱力循環(huán)實現(xiàn)太陽熱和替代燃料的梯級利用。
該研究不僅改變了化石燃料直接燃燒的做法，還革新了太陽能簡單光熱發(fā)電的方式。相關(guān)論文發(fā)表后，獲得國際學(xué)術(shù)會議最佳論文獎。ASME Solar Energy雜志前主編、瑞士蘇黎世工學(xué)院教授Aldo Steinfeld評價說：“該研究原創(chuàng)性地建立了評價太陽能中低溫利用過程的理論框架，精辟地應(yīng)用了熱力學(xué)。”
“國際上相關(guān)的研究主要集中在高溫太陽能熱化學(xué)互補發(fā)電領(lǐng)域，就中低溫太陽能熱化學(xué)發(fā)電方面，我們的研究是原創(chuàng)的，是一個新方向。”金紅光說。
商業(yè)化的黎明
“我們在通州建的熱化學(xué)互補發(fā)電設(shè)備已經(jīng)能夠發(fā)電，從技術(shù)上來說只要對原來大型電廠的設(shè)備進(jìn)行些改造即可實現(xiàn)互補發(fā)電，現(xiàn)在完全可以商業(yè)化。”金紅光說，“但和傳統(tǒng)熱力發(fā)電相比成本略高，目前缺乏相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策的鼓勵扶持，太陽能互補發(fā)電正處于商業(yè)化的黎明。”
為了加速和推進(jìn)高效、低成本太陽能熱互補發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，該團(tuán)隊提出利用廉價、成熟的槽式聚光鏡聚集攝氏200度至300度太陽熱，不僅對降低太陽能互補發(fā)電投資成本具有巨大潛力，而且太陽能凈發(fā)電峰值效率能達(dá)到35%，比德國宇航實驗室提出的高溫太陽能與天然氣重整發(fā)電系統(tǒng)高5個百分點，比傳統(tǒng)太陽能單獨熱發(fā)電系統(tǒng)效率高15~20個百分點。
中科院工程熱物理所分布式供能與可再生能源實驗室研究團(tuán)隊通過研制國際首套中低溫太陽能吸收—反應(yīng)器（5千瓦），試驗驗證了中低溫太陽能品位提升方法與機(jī)理，建立了10千瓦太陽能熱化學(xué)發(fā)電裝置，并初步完成了國際首套100千瓦熱化學(xué)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計。并發(fā)明了中低溫太陽能與化石燃料熱互補的發(fā)電系統(tǒng)和冷熱電分布式供能系統(tǒng)。該研究引領(lǐng)了國際上太陽能中低溫?zé)峄瘜W(xué)與化石燃料互補研究的新方向，為發(fā)展我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的太陽能先進(jìn)能源系統(tǒng)技術(shù)、推動能源可持續(xù)發(fā)展與節(jié)能減排提供了新途徑。
近5年，該團(tuán)隊以科學(xué)基金為牽引，又承擔(dān)了國家“863”、“973”等項目，開展了太陽能熱發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，對我國近中期實施低成本、規(guī)模化的高效太陽能與化石能源互補發(fā)電工程建設(shè)提供了重要科學(xué)依據(jù)。
“不同類型的項目有不同的作用，科學(xué)基金更關(guān)注基礎(chǔ)問題和機(jī)理研究，在該領(lǐng)域基礎(chǔ)理論支撐上，發(fā)揮了不可替代的作用。”金紅光說。
